楊永健

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安 7100771；2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇徐州 221116）

地?zé)嵋蚱涞湍芎摹⒕G色低碳、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，有望成為人類未來的重要替代能源［1］。近25 年來，我國地源熱泵經(jīng)歷了起步—發(fā)展—快速發(fā)展的過程，尤其是近5年得到了快速發(fā)展，使用建筑面積達(dá)到13.92 億m2［2～3］，僅2020 年就增加了1.73 億m2［4］。但地源熱泵在我國的快速應(yīng)用也存在著很多安全隱患，如大規(guī)模使用沒有相關(guān)成功案例、前期勘察規(guī)范性差、施工質(zhì)量差、應(yīng)用多研究少、運(yùn)營管理粗放等［5］。平均地溫、換熱器管徑、連管方式、換熱器型式、媒介流速是影響地埋管換熱性能的幾個主要因素［6-9］，我國東西南北地層冷熱需求差異很大，而地層等地質(zhì)條件是影響換熱量的主要因素［10］，研究成果較少。近些年來，部分學(xué)者開展研究，試圖提高地源熱泵地埋管換熱效率，但主要通過室內(nèi)數(shù)值模擬計算［11］。適當(dāng)增大地埋管管徑可減小流體在地埋管內(nèi)流動時的沿程阻力，降低水泵運(yùn)行能耗；減小地埋管管徑可以增強(qiáng)地埋管內(nèi)循環(huán)水與管壁的對流換熱。工程應(yīng)用時應(yīng)該綜合考慮，擇優(yōu)選擇管徑。地下埋管換熱器是地源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其選擇的形式是否合理，設(shè)計的是否正確，關(guān)系到整個地源熱泵系統(tǒng)能否滿足要求和正常使用12］。文章針對西安地區(qū)地源熱泵實際應(yīng)用條件，現(xiàn)場施工了6 口不同型式的地源熱泵換熱器，通過變換因素測試其換熱效果，分析各因素的影響程度及各種型式換熱器的換熱效果。

1 地源熱泵垂直埋管類型及特性

地源熱泵地埋管換熱器根據(jù)埋管方式分為水平式地埋管和垂直式地埋管［13］。而國內(nèi)以垂直式地埋管為主，垂直式地埋管有以下幾種常見型式［14-16］：

1）單U 型地埋管。同一個豎井中埋設(shè)一組U型換熱管，該種埋管形式為傳統(tǒng)埋管方式，其安裝和運(yùn)行費(fèi)用低，換熱管延米換熱量最高，但換熱器數(shù)量多、占地面積最大。

2）雙U 型地埋管。同一豎井中埋設(shè)兩組U 型管，是基于單U型地埋管基礎(chǔ)上發(fā)展而來，地埋管換熱器延米換熱量較單U 型地埋管有所提高，單位面積換熱量變大，但施工成本也隨之增高。由于其換熱性能較好，施工簡單，占地面積少，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。

3）套管式地埋管：由兩根直徑不同的同軸套管組成，內(nèi)管直徑為25～90mm，外管直徑為50～200mm。它通過增大管壁與土壤的換熱面積來提高單位管長的換熱量。由于套管大部分采用鐵質(zhì)材料，耐久性差，下管也比較麻煩，套管端部與內(nèi)管進(jìn)、出水接口處不易處理，容易發(fā)生泄露，應(yīng)用較少。

U 型地埋管連接方式分為并聯(lián)和串聯(lián)兩種，并聯(lián)時循環(huán)介質(zhì)僅流經(jīng)一個U 型管，串聯(lián)時循環(huán)介質(zhì)從一個U 型管流出后會進(jìn)去另一個U 型管，一般串聯(lián)數(shù)為2個，串聯(lián)后循環(huán)介質(zhì)與土壤換熱更為充分。

2 現(xiàn)場測試及結(jié)果

2.1 測試條件

為了更好的掌握西安地區(qū)各種型式地源熱泵換熱器的換熱效率，中煤科工集團(tuán)西安研究院測試場地位于西安市高新區(qū)，測試時間為2018 年6-9月，現(xiàn)場共施工6 口測試井，深度均為150m，鉆孔直徑為150mm，換熱器材料均為1.6MPa 的HDPE，測試孔詳細(xì)參數(shù)見表1。地層結(jié)構(gòu)主要分為5 層（表2）?；靥畈牧蠟樵瓭{+黃沙（體積比80%+20%），地下穩(wěn)定地下水位為16m。

表1 測試孔參數(shù)Table 1 Test Borehole parameters mm

表2 主要地層Table 2 Main stratum

2.2 測試內(nèi)容

影響地埋管地源熱泵換熱器換熱性能的因素眾多，如埋管形式、運(yùn)行工況等，主要有管徑、連接方式、管型、流量、進(jìn)水溫度等。本文針對以上因素做了現(xiàn)場熱響應(yīng)測試，為了更好體現(xiàn)影響因素對換熱量的影響程度，同一組試驗變量唯一。測試過程遵循“三個同一”，即試驗過程同一人員、同一測量儀器、同一測試方法。主要有以下測試內(nèi)容。

1）初始溫度測試。土壤源熱泵冷熱源均為土壤，因此其系統(tǒng)性能與土壤熱物性關(guān)系密切。土壤熱物性和氣相條件決定了埋管換熱器的最佳深度和最佳間距，但是不同地區(qū)地埋管換熱器的深度和地埋管之間的距離也不相同。土壤初始溫度的高低決定了傳熱溫差，繼而影響換熱能力的大小，因此土壤源熱泵設(shè)計的重要參數(shù)之一是當(dāng)?shù)赝寥赖某跏紲囟取?/p>

2）全年地溫監(jiān)測。地溫是影響地埋管換熱器換熱效率的最主要因素，如平均地溫，年變化幅度等［17］。大部分地區(qū)深度超過一定范圍溫度將不隨隨季節(jié)變化，但該深度各個地區(qū)差異較大。本次測試對地下溫度進(jìn)行了數(shù)年的長期監(jiān)測，從而得出該地區(qū)地下溫度年變化情況。

3）不同管徑換熱量測試。地埋管換熱器直徑也是影響換熱量的主要因素，現(xiàn)場施工了2 口雙U型地埋管管熱器，管徑分別為25mm 和32mm，對兩口其他參數(shù)一樣的換熱井進(jìn)行熱響應(yīng)試驗，測試不同管徑對換熱量的影響。

4）不同連接方式換熱量測試。換熱器主要有串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式，但相同孔數(shù)的串并聯(lián)換熱量是不同的，目前并聯(lián)系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛，但也有不少串聯(lián)的案例［7］，本試驗采用DN32 單U 及雙U 的是3 口換熱井采用兩種方法連接，測試不同連接方式對換熱量的影響。

5）不同管型換熱量測試。常見的換熱器有單U、雙U 及同軸套管，不同管型的換熱器延米換熱量不同，系統(tǒng)能效也有差距。部分研究顯示，同軸套管換熱量要大于雙U 及單U 型換熱器［8，18］。本文通過對不同管型的換熱器進(jìn)行熱響應(yīng)測試，評價各種形式換熱器換熱效率。

6）不同流速換熱量測試。埋管內(nèi)流體的流速決定著管內(nèi)流量，隨著流速的增大，流體在支管間運(yùn)行時間減小，支管進(jìn)、出口的溫差減小，支管間的熱損失也隨之降低，換熱效率升高。胡平放［19］等人模擬研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流速較小時，隨著井深的增加，單位管長換熱量降低趨勢逐漸增加，而隨著流速的增大，井深對單位管長換熱量的影響逐漸降低，當(dāng)流速達(dá)到0.6m/s 時，井深對單位管長換熱量的影響基本消失。

2.3 測試結(jié)果

根據(jù)不同影響因素，本文根據(jù)現(xiàn)場熱響應(yīng)測試，通過華中科分別技大學(xué)GTA——地源熱泵巖土熱物性分析軟件，從以上幾個方面進(jìn)行變工況變條件下地埋管地源熱泵換熱特性測試。通過對不同埋管管徑及布管形式進(jìn)行現(xiàn)場熱響應(yīng)測試，管徑分別為DN25和DN32，布管形式有DN32 單U、DN32 單U 雙孔串聯(lián)、DN32單U雙孔并聯(lián)、DN25雙U并聯(lián)、DN32雙U串聯(lián)、DN32雙U并聯(lián)、DN63及DN75同軸套管換熱器。

2.3.1 土壤初始溫度監(jiān)測

本次試驗分別進(jìn)行了熱響應(yīng)前初始溫度測試、熱響應(yīng)試驗過程地層初始溫度，溫度曲線如圖1。在鉆孔內(nèi)沿深度（150m）布設(shè)13 個監(jiān)測點(diǎn)，深度分別為0、5、10、20、30、45、70、75、90、105、120、135 和150m。熱響應(yīng)測試前采用預(yù)埋傳感器測試原始平均地溫，再采用熱響應(yīng)無功循環(huán)測試初始平均地溫。通過傳感器對初試地溫測試，原始地層平均地溫為16.73℃，熱響應(yīng)無功循環(huán)初始平均地溫17.37℃。由上述測試結(jié)果可以看出，未擾動前不同地層溫度差異明顯，而在埋管流體循環(huán)流動下地層溫度區(qū)域穩(wěn)定，可見埋管換熱過程影響埋管周圍地層溫度場分布。

圖1 初始溫度測試Figure 1 Initial temperature test

2.3.2 地層年溫度監(jiān)測

本次監(jiān)測從2018 年8 月15 日開始至2019 年7月15日結(jié)束，監(jiān)測結(jié)果見圖2。

圖2 地溫年變化曲線Figure 2 Annual variation curve of ground temperature

由圖2 看出，該地變溫帶深度為0～20m，受季節(jié)環(huán)境溫度影響較大。恒溫帶的深度約為20m，監(jiān)測范圍內(nèi)平均溫度約為16.3℃，隨著地層深度的增加，地層溫度逐漸變大，至150m 深處地溫達(dá)到19.1℃，地溫梯度約為3.1℃/100m。

2.3.3 不同管徑換熱量測試

通過對雙U 型兩種管徑換熱器換熱量測試，夏季延米換熱量DN32 的為61.2w/m，而DN25 的為51.25 w/m，冬季延米換熱量DN32 的為43.6w/m，而DN25 的為42.6 w/m。因此，兩種管徑在夏季換熱量方面差別較大，DN32 較DN25 提高了19%，而冬季換熱量提高不明顯。

2.3.4 不同連接方式換熱量測試

通過對DN32 單U 及雙U 兩種管型的串聯(lián)和并聯(lián)兩種連接方式換熱量進(jìn)行了測試，測試結(jié)果見圖3。從圖3 測試數(shù)據(jù)可以看出，雙U 的夏季換熱量比單U 的提高了36%，冬季換熱量提高了26%。單U和雙U的兩種管型串聯(lián)比并聯(lián)在夏季換熱量提高了16%，冬季換熱量提高了14%。

圖3 不同連接方式換熱器換熱量對比Figure 3 Comparison of heat exchanging capacity of ground heat exchangers with different connection methods

2.3.5 不同管型換熱量測試

對多種套管類型換熱器換熱量進(jìn)行了測試，測試結(jié)果見圖4。從圖4 可以看出，DN75 套管換熱器延米換熱量最高，而DN32 單U 換熱量最低。DN32雙U比DN32單U夏季換熱量提高了35%，冬季換熱量提高了26%。DN75 套管換熱器夏季換熱量比DN32雙U的提高了10%，冬季換熱量提高了7%。

圖4 不同管型換熱器換熱量對比Figure 4 Comparison of heat exchanging capacity of different tube type heat exchangers

2.3.6 不同流量換熱量測試

對DN32 雙U 換熱器采用變流量熱響應(yīng)測試，流量為1m3/h 和0.8m3/h 時夏季延米換熱量分別為61.2 w/m、47.7 w/m，冬季延米換熱量分別為43.6 w/m、34.5 w/m。因此，從以上測試數(shù)據(jù)可以看出，1m3/h時夏季延米換熱量比0.8m3/h 高28%，而冬季換熱量比0.8m3/h高26%。

3 結(jié)果分析

本次采用傳感器測試的地溫原始平均地溫16.73℃，采用熱響應(yīng)無功循環(huán)初始平均地溫17.37℃，熱響應(yīng)測試初始地溫略大于孔內(nèi)分層測試地溫，主要原因為循環(huán)水泵工作時產(chǎn)生一部分熱能傳遞給地埋管介質(zhì)流體。變溫帶深度約為20m，受季節(jié)環(huán)境溫度影響較大。地溫梯度約為3.1℃/100m。

影響換熱量的因素比較多，從試驗結(jié)果可以看出，同軸套管的換熱量最高，DN32 雙U 次之，DN25雙U 第三，DN32 單U 最小。管徑方面，DN32 雙U 比DN25雙U夏季換熱量提高19%，而冬季換熱量提高不明顯。連接方式方面，串聯(lián)整體換熱量均大于并聯(lián)，單U 和雙U 的兩種管型串聯(lián)比并聯(lián)在夏季換熱量提高了16%，夏季換熱量提高了14%。管型方面，同軸套管比其他形式換熱器的換熱量高。隨著科技的進(jìn)步，耐久性材料已不斷迭代，同軸套管換熱器能夠滿足各種需求。而在本次測試中同軸套管外管直徑為DN75，施工時鉆井直徑更小，費(fèi)用更低。流量測試方面，當(dāng)流量在0.8～1.0m3的情況下，流量越大，換熱量越大。但是，更大的流量意味著更高的循環(huán)功率，因此應(yīng)該在換熱量和經(jīng)濟(jì)上上尋找平衡點(diǎn)。

在實際工程和系統(tǒng)的運(yùn)行中，由于各種因素之間相互影響，很難使每個因素的影響效果都達(dá)到最佳。通過分析各因素對換熱性能的影響規(guī)律，以期能為地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行提供一定的幫助。

4 結(jié)論

1）影響地源熱泵地埋管換熱量的因素較多，主要有地層溫度、換熱管直徑、連接方式、換熱器形式等，但影響大小不同，研究各因素對換熱量影響是必要的。

2）本次采用傳感器測試的地溫原始平均地溫16.73℃，采用熱響應(yīng)無功循環(huán)初始平均地溫17.37℃。變溫帶深度約為20m，恒溫帶頂面深度約為20m，地溫梯度約為3.1℃/100m。

3）從試驗結(jié)果可以看出，同軸套管的換熱量最高，DN32 雙U 次之，DN25 雙U 第三，DN32 單U最小。

4）根據(jù)經(jīng)驗，河流附近或古河道附近地層及地下水變化較大，應(yīng)具體測試。